По мере того, как человечество все больше и больше погружается в космос, потребность в надежных и устойчивых источниках энергии для длительных спутников дальнего космоса становится все более важной. Эти спутники играют жизненно важную роль в связи, навигации и научных исследованиях, часто работающих далеко от Солнца. Разработка инновационных энергетических решений обеспечивает их долговечность и операционный успех в течение десятилетий или даже дольше.

Уникальные требования к мощности спутников дальнего космоса

Спутники дальнего космоса работают в режиме, принципиально отличном от их аналогов на низкой околоземной орбите. В то время как типичный спутник связи на геостационарной орбите может рассчитывать на обильное количество солнечного света большую часть года, зонд, направляющийся к внешним планетам, сталкивается с плотностью мощности, которая падает с обратным квадратом его расстояния от Солнца. На Юпитере солнечное излучение составляет примерно 4% от того, что на Земле; на Сатурне оно составляет всего 1%; а на орбите Плутона солнечный свет едва ли тысячный, как сильный. Этот крутой градиент заставляет инженеров отказаться от обычных солнечных панелей для миссий за пределами пояса астероидов, если только космический корабль не предназначен для работы на чрезвычайно низких уровнях мощности.

Тепловая среда одинаково карающая. Компоненты должны выдерживать перепады температур от ниже -200°C в тени до более +100°C при воздействии прямого излучения, в зависимости от ориентации космического корабля. Излучение от галактических космических лучей и событий солнечных частиц может со временем ухудшать фотоэлектрические элементы, электронную схему и химию батареи. Кроме того, обслуживание или замена невозможны после запуска спутника; каждая энергетическая система должна быть спроектирована для автономного функционирования в течение периодов, измеряемых десятилетиями. Эти факторы определяют пространство проектирования для устойчивых энергетических решений.

Текущие основы: радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG)

Для миссий, которые выходят за пределы внутренней Солнечной системы, проверенной рабочей лошадкой был радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG). RTG преобразуют тепло, выделяемое естественным радиоактивным распадом плутония-238, в электричество с использованием термопар — твердотельных устройств без движущихся частей. Эта простота дает RTG необычайную надежность; космический корабль-близнец Вояджер, запущенный в 1977 году, продолжает эксплуатировать свои RTG более 45 лет спустя, хотя и при пониженных уровнях мощности из-за постепенного распада плутониевого топлива и деградации термоэлектрических материалов.

Миссия «Кассини» к Сатурну, облет Плутона «Новыми горизонтами» и марсоходы «Кьюриосити» и «Настойчивость» — все зависели от РТГ. Однако РТГ не лишены ограничений. Их эффективность обычно составляет всего 6—8%, а это означает, что большая часть вырабатываемого тепла тратится впустую. Они требуют постоянного снабжения плутонием-238, который производится только в специализированных реакторах; США возобновили производство в 2010-х годах после многолетнего разрыва. Кроме того, использование радиоактивных материалов накладывает строгие протоколы безопасности для запуска и требует надежной сдерживания для предотвращения выброса в случае сбоя запуска. Несмотря на эти недостатки, РТГ остаются золотым стандартом для энергии глубокого космоса, где солнечного света недостаточно.

Продвинутые концепции RTG

Исследования направлены на повышение эффективности термоэлектрического преобразования. Новые материалы, такие как скуттерудиты и наноструктурированные термоэлектрики, могут повысить эффективность преобразования до 10-15%. Многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG) , используемый на Марсе 2020 года, представляет собой постепенный шаг; конструкции следующего поколения, такие как eMMRTG (усовершенствованный MMRTG) обещают большую мощность на килограмм топлива. (усовершенствованный MMRTG) (более радикальный подход заменяет термопары с двигателями Стирлинга, которые преобразуют тепло в электричество через поршневой двигатель замкнутого цикла. Передовой радиоизотопный генератор Стирлинга (ASRG)] находился в стадии разработки в течение многих лет, достигая эффективности выше 25%, но программа была в конечном итоге приостановлена из-за бюджетных ограничений. Если она будет восстановлена, генераторы в стиле ASRG

Роль солнечной энергии во внешней Солнечной системе

Хотя солнечные панели непрактичны для миссий на Сатурн и за его пределами, они все еще могут быть жизнеспособными для некоторых приложений в глубоком космосе. Космический аппарат Juno на Юпитере использует три больших солнечных батареи, каждая длиной 8,9 метра, для генерации около 500 Вт на расстоянии Юпитера. Это возможно, потому что Juno работает в относительно доброкачественной радиационной среде и имеет высокоэффективную орбиту, которая поддерживает освещение массивов. Аналогично, миссия Europa Clipper, которая должна быть запущена в 2020-х годах, будет нести массивные солнечные батареи для выработки энергии на Юпитере, а также использовать батареи для выживания затмений. Эти миссии демонстрируют, что при тщательном проектировании и больших массивных областях солнечная энергия может работать даже при 5 а.е.

Для мест, расположенных дальше — Сатурн, Уран, Нептун — солнечный поток становится слишком слабым для обычного фотоэлектрического преобразования. Однако будущие достижения в высокоэффективных многопереходных ячейках (в настоящее время превышающие 40% эффективности при концентрированном свете) и легких, развертываемых структурах массива могут вытолкнуть границу наружу. Другая концепция заключается в использовании солнечной электрической силовой установки в сочетании с солнечными батареями: те же массивы, которые питают космический корабль, также приводят в движение ионные двигатели, позволяя зонду быстрее достигать своего назначения, полагаясь на солнце как для движения, так и для бытовой энергии. Этот подход успешно используется в миссии Dawn и запланирован для миссии астероида FLT: 3.

Новые технологии ядерных реакторов для космоса

Для миссий, требующих постоянной мощности в десятки-сотнях киловатт, таких как реле связи в глубоком космосе, наземные места обитания на Луне или Марсе или ядерно-электрическая двигательная установка для пилотируемых миссий, радиоизотопных систем недостаточно. Малые ядерные реакторы деления предлагают масштабируемое решение. Проект NASA Килоэнергия продемонстрировал реактор класса 1 киловатт с использованием ядра урана-235 и преобразователей Стирлинга, достигая удельной мощности около 6,5 кг / кВт. Килоэнергия предназначена для работы в течение по крайней мере 10 лет без дозаправки, и ее модульная конструкция позволяет объединить несколько единиц для более высокой производительности. Проект завершил наземные испытания в 2018 году, и квалифицированная версия может быть готова в течение следующего десятилетия.

Во-первых, реактор должен быть компактным и легким, с высокотемпературными материалами, которые могут выдерживать интенсивную тепловую среду. Во-вторых, реактор требует радиатора для сброса отработанного тепла, а размер шкалы радиатора с отработанным теплом должен быть рассеян. В-третьих, правила безопасности требуют, чтобы реактор оставался подкритическим во время запуска и работал только один раз в космосе. Несмотря на эти препятствия, Министерство энергетики США, НАСА и частные компании, такие как FLT: 1 активно разрабатывают готовые к полету системы деления. Программа DRACO демонстрационная ракета для Agile Cislunar Operations отдельно разрабатывает ядерную тепловую ракету, которая также может информировать проект реактора для питания.

Расщепление против радиоизотопа: когда использовать какой?

Выбор между РТГ и реакторами деления зависит от уровня мощности и продолжительности миссии. РТГ доминируют в миссиях, требующих нескольких сотен ватт в течение десятилетий - их надежность доказана, а стоимость топлива управляема. Реакторы деления становятся привлекательными выше примерно 10 кВт, где становится очевидным массовое преимущество реактора над эквивалентным количеством РТГ. Например, реактор мощностью 10 кВт может весить 1500 кг, тогда как РТГ, обеспечивающий ту же мощность, потребует более 20 отдельных генераторов, каждый весом примерно 40 кг, общим весом 800 кг генераторов плюс топливо - и доступность топлива становится ограничивающим фактором. Для миссий с экипажем или мощных радиолокационных изображений, деление является единственным жизнеспособным вариантом.

Передовое хранение энергии и управление электроэнергией

Ни одна система выработки электроэнергии не идеальна для всех рабочих фаз. Хранение энергии преодолевает разрыв между пиковым спросом и средней генерацией. В глубоком космосе батареи должны работать при экстремальных температурах и выдерживать тысячи циклов заряда-разряда. Литий-ионные батареи стали стандартом для большинства космических аппаратов, с конструкциями, адаптированными для низкого саморазряда и терпимости к вакууму. Однако для очень длительных миссий емкость аккумуляторов исчезает из-за цикличности и старения календаря. Суперконденсаторы предлагают более высокий срок службы и плотность мощности, но более низкую плотность энергии; они могут использоваться для коротких всплесков высокой мощности, таких как радиолокационные передачи или стрельбы приборов.

Помимо электрохимического хранения, для космических применений предложено накопитель энергии на летучей колесе.Маховик хранит кинетическую энергию в вращающемся роторе; в космосе отсутствие трения от воздуха позволяет очень высокие скорости вращения и эффективность выше 90%.Маховик также может служить реакционным колесом для управления отношением, сочетая две функции в одно устройство. Однако механическая сложность и риск отказа подшипника имеют ограниченное принятие. Другая возникающая концепция — термическое хранение энергии с использованием материалов фазового изменения: тепло от реактора или радиоизотопа может храниться в расплавленной соли или воске и позже преобразовываться в электричество с помощью термоэлектриков или двигателей Стирлинга. Этот подход может сгладить подачу энергии от переменных источников, таких как солнечные батареи, в периоды затмения.

Электроника управления мощностью должна быть закаленной и эффективной. Современные контроллеры максимального отслеживания точек питания (MPPT) оптимизируют напряжение от солнечных батарей или RTG, в то время как преобразователи DC-DC с эффективностью, превышающей 95%, минимизируют потери. Избыточность встроена в каждую подсистему; отказ одной точки в преобразователе питания может обречь на десятилетнюю миссию, поэтому несколько параллельных преобразователей и кросс-ограниченные распределительные шины являются стандартной практикой.

Беспроводная передача энергии для спутников

Одной из наиболее футуристических концепций устойчивой энергии дальнего космоса является беспроводная передача энергии. Мощная орбитальная станция или спутник на солнечной энергии могли бы передавать энергию приемнику на другом космическом корабле с использованием микроволн или лазеров. Преимущество заключается в том, что центральный источник питания мог бы поставлять несколько спутников, уменьшая потребность каждого в переноске собственного генератора. Например, созвездие реле связи в глубоком космосе могло бы получать энергию от одного ядерного реактора, расположенного в точке Лагранжа, в то время как сами реле являются легкими и недорогими.

Беспроводная передача энергии была продемонстрирована на Земле на расстояниях в несколько километров и в экспериментах «пространство-земля». Проблемы в глубоком космосе огромны: луч должен быть точно направлен на миллионы километров, эффективность преобразования из электричества в микроволновые печи и обратно в электричество обычно составляет 30-50%, а приемная матрица должна быть достаточно большой, чтобы захватить полезную часть луча. Для миссий во внутренней Солнечной системе спутники солнечной энергии могут передавать энергию на орбитальные аппараты вокруг Марса или Венеры. Для внешней системы потребуется ядерная энергетическая станция. Пока еще не практичная, беспроводная энергия остается активной областью исследований, особенно для космического обслуживания и логистики.

Устойчивость и избыточность в дизайне энергетических систем

Устойчивость в энергии глубокого космоса относится не только к источнику топлива; она также охватывает долговечность системы, ее способность работать без вмешательства человека и ее устойчивость к деградации. Инженеры используют несколько стратегий избыточности: двойные RTG, несколько батарейных струн и несколько преобразователей мощности гарантируют, что потеря любого одного компонента не калечит космический корабль. Например, космический корабль FLT: 0 имел три RTG; по мере их деградации миссия отключила несущественные инструменты для экономии энергии, что позволило работать далеко за пределами первоначального срока службы конструкции.

Еще одним важным аспектом является закаливание излучения. Солнечные панели, батареи и электроника защищены или выбраны для терпимости к излучению частиц. Для миссий к ледяным гигантам (Уран, Нептун) или поясу Койпера космический корабль также должен выживать в интенсивных радиационных поясах вокруг Юпитера, если используется гравитационная помощь. Щит добавляет массу, поэтому дизайнеры часто обмениваются между экранированием и выбором компонентов. Некоторые миссии помещают чувствительную электронику в экранированный свод, как это сделала миссия Juno со своим основным компьютером.

Наконец, устойчивость подразумевает минимизацию воздействия на окружающую среду любых потенциальных внеземных тел. Ядерные источники энергии должны быть спроектированы так, чтобы быть инертными в случае аварийной посадки на Луну или планету, гарантируя, что радиоактивные материалы не будут рассеяны. Международные принципы, относящиеся к использованию ядерных источников энергии в космическом пространстве, установленные Комитетом ООН по мирному использованию космического пространства (COPUOS), определяют проектирование и эксплуатацию таких систем.

Путь вперед: гибридные системы и концепции будущего

Учитывая сильные и слабые стороны каждой технологии, будущее энергии глубокого космоса, вероятно, лежит в гибридных системах, которые объединяют несколько источников. Спутник может полагаться на первичный ядерный реактор для мощности базовой нагрузки, дополненный солнечными батареями для пиковых нагрузок, когда космический корабль находится во внутренней солнечной системе, и большие батареи для затмений или мощных импульсов. Стирлингский радиоизотопный генератор (SRG) может быть объединен с небольшим реактором деления для обеспечения избыточности и более высокой эффективности.

На горизонте находятся другие передовые технологии преобразования. щелочно-металлические термоэлектрические преобразователи (AMTEC) преобразуют тепло непосредственно в электричество без движущихся частей и теоретической эффективности до 20%; они работают при высоких температурах (800–1000°C) и могут быть заправлены радиоизотопами или теплом реактора. Термионоконвертеры и термофотоэлектрические преобразователи также исследуются для космических применений. Между тем, новые химические составы батарей, такие как твердотельный литий или литий-сера, обещают более высокую плотность энергии и более безопасную работу, хотя они все еще находятся на расстоянии нескольких лет от квалификации в космосе.

В долгосрочной перспективе использование ресурсов на Луне, Марсе или астероидах может обеспечить топливо для производства электроэнергии: извлечение гелия-3 для потенциальных термоядерных реакторов (очень длинный выстрел) или строительство солнечных батарей из местного кремния и галлия. Эти подходы значительно уменьшат количество массы, которое должно быть запущено с Земли, что позволит действительно устойчивую инфраструктуру глубокого космоса. На данный момент основное внимание остается на повышении эффективности, безопасности и плотности мощности существующих технологий, а также на поощрении международного сотрудничества для обеспечения стабильного снабжения плутонием-238 и разработки новых конструкций реакторов.

Заключение

Разработка устойчивых энергетических решений для длительных спутников дальнего космоса является многогранной инженерной задачей, которая требует инноваций по всем дисциплинам. От доказанной надежности радиоизотопных термоэлектрических генераторов до обещаний небольших реакторов деления, передовых систем хранения и даже беспроводной передачи энергии каждая технология должна играть свою роль. Выбор энергетической системы для данной миссии зависит от расстояния от Солнца, требуемого уровня мощности, продолжительности миссии и толерантности к риску. По мере того, как человечество расширяет свое присутствие во внешней Солнечной системе, способность генерировать и управлять энергией устойчиво будет определять, как далеко мы можем зайти и как долго мы можем оставаться. При продолжающихся инвестициях в исследования и разработки, следующее поколение спутников дальнего космоса будет работать дольше, достигать большего и открывать новые границы в освоении космоса.